電動汽車幾種加熱方案解析

1、電動汽車幾種加熱方案解析本文介紹燃油加熱、電加熱、熱泵加熱幾種針對純電動汽車的加熱方案，并對幾種方案進(jìn)行對比分析。節(jié)能環(huán)保是當(dāng)今世界共同倡導(dǎo)的主題，純電動汽車將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。汽車作為一種便捷的代步工具，其乘坐舒適性也是關(guān)鍵因素。純電動汽車取消了發(fā)動機(jī)，沒有發(fā)動機(jī)冷卻液的余熱作為熱源，這對純電動汽車駕駛室采暖來說是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)，同時也為其他加熱方式帶來了發(fā)展機(jī)遇。目前，可以考慮燃油加熱方式、電加熱方式和熱泵加熱方式來解決純電動汽車駕駛室采暖的問題。1燃油加熱方式1.1 燃油加熱器工作原理啟動燃油加熱器后，油泵開始從燃油箱取油，并將燃油輸送到加熱器中，燃油通過霧化裝置被霧化成可

2、燃的油氣混合體由火花塞點(diǎn)燃。水循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻液在流經(jīng)加熱器時被加熱，然后流入暖風(fēng)芯體，從而為駕駛室提供充足的熱源，為乘員提供舒適的環(huán)境，滿足除霜除霧法規(guī)的要求。1.2 實(shí)施方案增加燃油加熱器、燃油箱、油泵、油管、進(jìn)氣消聲器、進(jìn)氣管、排氣消聲器、排氣管、水泵、水管，使燃油加熱器、水泵、水管與原車暖風(fēng)芯體形成封閉的水循環(huán)系統(tǒng)。燃油加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。邂油汰川珠戰(zhàn)里1.3 優(yōu)點(diǎn)1）顯著提高純電動汽車?yán)m(xù)駛里程。在環(huán)境溫度-10C,城市路況下行駛1h,使用燃油加熱比使用電加熱大大提高了純電動汽車的續(xù)駛里程，對比結(jié)果見圖2。閣工債科-飛用森幽膽世響F*噸獨(dú)調(diào)2）可延長電池的使用壽命。采用燃油加熱方式

3、對駕駛室加熱不消耗電池的電能，因此在相同的行駛里程下，使用燃油加熱方式比使用電加熱方式電池的放電深度低。根據(jù)鋰電池的特性，電池壽命取決于放電深度，放電深度越低，可使電池的充放電次數(shù)增加，從而延長電池的使用壽命。圖3為電池使用壽命與放電深度之間的關(guān)系。1OD、門他用電加熱方式電池的他明號命0204。6080JQO電:fc放電赧應(yīng)，節(jié)電ift位內(nèi)+瓶：/&*!，之品白：1正奉1.4 缺點(diǎn)1）燃油加熱系統(tǒng)消耗燃油，產(chǎn)生尾氣排放，與純電動汽車零排放的理念相違背。2）燃油加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量較多，增加成本較高，降低了電動汽車的實(shí)用性。3）為了滿足純電動汽車碰撞法規(guī)的要求，燃油加熱系統(tǒng)需要突破以下

4、課題：燃油箱的布置位置和防護(hù)措施（制定純電動汽車整車布置方案時，會優(yōu)先考慮電池包的布置，這對燃油箱的布置帶來了更大的挑戰(zhàn)。燃油箱布置在前機(jī)艙不滿足前碰法規(guī)要求，且燃油加注不方便；燃油箱布置在行李艙下方，很難滿足后碰法規(guī)的要求）；燃油管路走向，應(yīng)確保燃油管路遠(yuǎn)離高壓線束；做好燃油管路的防護(hù)及碰撞斷油措施，防止因碰撞引起燃油泄漏。2電加熱方式2.1 PTC的概念及功能原理電加熱方式多為使用PTC加熱。PTC是PositiveTemperatureCoefficient的縮寫，意思是正的溫度系數(shù)，泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。通常我們提到的PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱PTC熱敏電阻。

5、PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度（居里溫度）時，它的電阻值隨著溫度的升高而陡增。也就是PTC加熱器的功率將突然降低到最小值，使溫度回到其居里溫度以下。就因?yàn)檫@個特性，PTC加熱器具有恒溫發(fā)熱、無明火、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。2.2 低電壓風(fēng)暖加熱2.2.1 實(shí)施方案完內(nèi)ra室內(nèi)&嚏內(nèi)整注HHttt圖4為低電壓風(fēng)暖加熱方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。機(jī)艙增加水泵、水管、三通閥與暖風(fēng)芯體、電機(jī)、散熱器水箱形成封閉的水循環(huán)系統(tǒng)，HVAC結(jié)構(gòu)中增加低電壓風(fēng)暖加熱器。低電壓風(fēng)暖加熱器在空調(diào)HVAC中的布置示意圖見圖5,安裝位置實(shí)物圖見圖6。當(dāng)開啟空調(diào)控制器采暖開關(guān)時,三通閥B改變冷卻液走向，使

6、冷卻液通過暖風(fēng)芯體，根據(jù)車內(nèi)溫度傳感器的控制溫度、車內(nèi)溫度、水泵開啟溫度、三通閥A的控制溫度、冷卻液溫度來控制PTC與暖風(fēng)芯體的工作狀態(tài)。當(dāng)斷開空調(diào)控制器采暖開關(guān)時，三通閥B再次改變冷卻液走向，使冷卻液不通過暖風(fēng)芯體。2.2.2 優(yōu)點(diǎn)分電機(jī)冷卻功能,降低了散熱器水箱的功率輸出。由于暖風(fēng)芯體用的是冷卻液余熱，可以節(jié)省低電壓風(fēng)暖加熱器的功率輸出，還分擔(dān)了一部2.2.3 缺點(diǎn)1）對沿用件的改動量比較大，改動成本較高。2）使用低電壓風(fēng)暖加熱器，要求沿用原車空調(diào)暖風(fēng)機(jī)的下部有一定的整改空間，但是增加PTC輔助加熱裝置會使得暖風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)總成的殼體有所變動。若要在加熱暖風(fēng)芯體下面增加PTC輔助裝置，那么殼體

7、下部的風(fēng)道和吹腳風(fēng)道都應(yīng)該下移。3）需重新更改控制電路，增加控制元器件及部分管路，使控制器能夠?qū)λ眉叭ㄩy進(jìn)行控制，控制復(fù)雜，成本增加很多。4）PTC布置在駕駛艙，存在一定的安全隱患。2.3高電壓風(fēng)暖加熱2.3.1 實(shí)施方案圖7為高電壓風(fēng)暖加熱方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。去掉原車進(jìn)出水管與暖風(fēng)芯體，用與原車暖風(fēng)芯體等大小、等安裝方式的風(fēng)暖PTC替代暖風(fēng)芯體，然后改變相關(guān)的控制電路，對PTC芯體應(yīng)做隔熱措施。2.3.2 優(yōu)點(diǎn)1）不需要改動HVAC結(jié)構(gòu)。2）高電壓風(fēng)暖加熱器不像低電壓風(fēng)暖加熱器會受到功率輸出能力等諸多因素的限制，可以提供非常強(qiáng)勁的功率輸出及高效率的加熱。3）直接對空氣加熱，駕駛室溫升速度快。2

8、.3.3缺點(diǎn)PTC的加熱電功率至少需要30001)要使空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)滿足除霜除霧的法規(guī)及采暖要求,W或者更大。這個功率相對于總的電池容量來說是非常巨大的消耗體，嚴(yán)重影響了純電動車的續(xù)駛里程。2） 3000W以上加熱功率的PTC布置在HVAC內(nèi)存在安全隱患。高電壓風(fēng)暖PTC工作電壓范圍一般在250450V(DC),需要做好高電壓絕緣措施，EN60335要求高電壓產(chǎn)品的絕緣等級要做到大于等于2000V。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，需要考慮多層絕緣的安全措施(圖8),這就使產(chǎn)品本身的成本大大提高，給產(chǎn)品應(yīng)用帶來了困難。離HL醫(yī)閾加的翔總件考第觸第帚-螂宦懾肇，用到胃電新可電任用帆圣艷聿*會戰(zhàn)集3)高電壓風(fēng)暖加熱器布

9、置在HVAC內(nèi)，需要對高電壓風(fēng)暖加熱器做隔熱措施，否則高電壓風(fēng)暖加熱器溫度高時，HVAC殼體會產(chǎn)生異味，影響駕駛室空氣品質(zhì)。2.4高電壓水暖加熱2.4.1 實(shí)施方案圖9為高電壓水暖加熱方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在機(jī)艙增加高電壓水暖加熱器、水箱、水泵、水管，與原車暖風(fēng)芯體形成封閉水循環(huán)系統(tǒng)。SJ離電壓水2迷諭式盛柜地刈2.4.2 優(yōu)點(diǎn)1）高電壓器件布置在機(jī)艙，使得高電壓安全性得以保證，在保證其效能情況下提供一個最高安全度的優(yōu)化解決方案。2）水暖加熱，工作時無異味。3） 不需要改變HVAC結(jié)構(gòu)。4）由于制動能量回收或者其他因素導(dǎo)致電池電量過多時，高電壓水暖加熱器可將多余的電能轉(zhuǎn)化為熱能，儲存在水循環(huán)系統(tǒng)中，防

10、止由于電池過充電帶來的危險(xiǎn)。5）高電壓系統(tǒng)不像12V系統(tǒng)會受到功率輸出能力的諸多限制，可以提供非常強(qiáng)勁的功率輸出及高效率的加熱能力。6）在一個純電子化的暖通空調(diào)系統(tǒng)中，功率不受其他因素的影響，而是由溫度管理系統(tǒng)方便地進(jìn)行調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)溫度的精確控制。2.4.3缺點(diǎn)1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加零部件較多，給機(jī)艙布置帶來困難。2）水暖加熱速度較慢。3）水暖PTC加熱器電功率大約5.5kW,這個功率相對于總的電池容量來說是非常巨大的消耗，嚴(yán)重影響了電動車的續(xù)駛里程。3熱泵加熱方式熱泵加熱是在電動壓縮機(jī)制冷回路的基礎(chǔ)上，增加電磁閥控制制冷劑流向，通過蒸發(fā)冷凝器從周圍環(huán)境中吸收熱量，通過內(nèi)部冷凝器向駕駛室釋放

11、熱量，使駕駛室溫度升高，蹣足除霜除霧的法規(guī)要求，為乘員提供舒適的環(huán)境。3.1 實(shí)施方案增加電動壓縮機(jī)、電磁閥、內(nèi)部冷凝器、蒸發(fā)冷凝器、單向閥、電子膨脹閥及優(yōu)化后管路結(jié)構(gòu)，從而形成封閉的制冷劑循環(huán)回路，其中內(nèi)部冷凝器替換原車暖風(fēng)芯體。熱泵制熱模式見圖10。lElil再一機(jī)強(qiáng)煙”3.2 優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)效率高，根據(jù)目前的電動壓縮機(jī)技術(shù)，0C時熱泵系統(tǒng)的COP為2.5,-5C時熱泵系統(tǒng)的COP為2.0,因此，在產(chǎn)生相同熱量的前提下，使用熱泵加熱方式比使用電加熱方式消耗的電能更少，可增加車輛的續(xù)駛里程。3.3 難點(diǎn)1）關(guān)鍵零部件技術(shù)不成熟：電動壓縮機(jī)、內(nèi)部冷凝器、蒸發(fā)冷凝器、制冷管路用電磁閥等核心零部件尚在研

12、發(fā)之中。對于蒸發(fā)冷凝器來說，降低內(nèi)部壓力是提高產(chǎn)品最大換熱能力的關(guān)鍵因素；合理的翅片尺寸可降低蒸發(fā)冷凝器結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)。2）控制技術(shù)不成熟熱泵式空調(diào)控制技術(shù)，尤其是車用電動渦旋壓縮機(jī)的變轉(zhuǎn)速控制算法和電磁閥的控制（空調(diào)模式與熱泵模式之間相互轉(zhuǎn)換）算法不成熟。3）熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量多，機(jī)艙布置困難。4）成本增加很多，開發(fā)周期長。5）隨著環(huán)境溫度降低，熱泵系統(tǒng)的COP值會有所下降。當(dāng)環(huán)境溫度低于-10C時，電動壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速需要達(dá)到8000r/min以上才能維持熱平衡。當(dāng)電動壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到8000r/min以上時，噪聲很大，很難達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，故此熱泵加熱方式受溫度范圍限制較大。4幾種方案的對比分析將以上幾種方案從高電壓安全性、效率、制熱能力、與燃油車部件的通用性、成本、最大優(yōu)點(diǎn)和最大缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了對比分析，見表1。表i只種立宗的對匕總析hi做或制拽能力吊嗓大M點(diǎn)期值踴典仙力熱t(yī)?不辭中黑力就不也用阜搟聲。盤藝限電H品華母中駕4評中,1J也以郎方整*親神ft柢賞加印水證好由號中等為曼m恨釬Sf布芹ii角星置苞5總結(jié)以上幾個方案各有優(yōu)勢：使用燃油加熱方式在提供舒適環(huán)境的同時，不影響純電動汽車的續(xù)駛里程，